Prophages

Като профаги фаговата ДНК на умерени бактериофаги се нарича, когато присъства в бактериалната клетка гостоприемник. Бактериофагите са открити от Феликс Хюбер д'Херел през 1917г. Те са вируси, които са се приспособили към специфични бактерии. В по-нататъшния курс на изследване се прави разлика между литичен фаг с висока вирулентност и умерен фаг с безшумен профаг и лизогенен цикъл.

Какво представляват профагите?

Профагът на умерен бактериофаг може да присъства като плазмид в клетката гостоприемник или да бъде интегриран в бактериалната ДНК. За това умереният фаг трябва да възприеме лизогенния цикъл, когато фаговата ДНК се инжектира. Прави се разлика между литичния цикъл и лизогенния цикъл. Докато литичният цикъл причинява бърза репликация и последваща лизис на клетката гостоприемник след инжектирането на генетичния материал, в лизогенния цикъл репресорните гени на фага се инжектират в клетката гостоприемник с цел потискане на литичния цикъл, т.е. бързото разтваряне на клетката.

Умереният фаг може да превключва между литичен и лизогенен цикъл в зависимост от преобладаващите условия на околната среда. Литичният цикъл се отнася до конвенционалния начин, по който фаговите гени действат в клетката гостоприемник. След инжектирането на вирусна ДНК се извършва бързо репликация в клетката гостоприемник. След като капсидът и протеините от опашните влакна се реплицират в допълнение към вирусната ДНК и множество отделни вирусни частици са събрани от отделните части, клетъчната стена на клетката гостоприемник се разлага от лизозима. Когато клетъчната стена се разтвори, новите фаги се освобождават и тяхната ДНК вече може да се инжектира в други бактериални клетки. Този процес приключва за около час.

Поради големия брой нови вирусни частици, този подход се нарича "вирулентна форма". Тъй като клетъчната стена на гостоприемника се разрушава с помощта на лизозим, се използва терминът "литичен цикъл". В случай на умерен фаг, бързото размножаване и последващ лизис на клетката гостоприемник не е задължително да влязат в сила. В зависимост от съществуващите фактори на околната среда, умереният фаг може да превключва между литичен и лизогенен цикъл. Литичният цикъл може да бъде потиснат чрез инжектиране на репресорни гени и лизогенният цикъл може да започне безкрайно.

В лизогенния цикъл фаговият генетичен материал се вкарва в генетичния материал на зародиша и може да оцелее тук за неопределен период от време. Инжектираният генетичен материал се нарича „неподвижен“ и се определя като „профаг“. Профагът може да лежи като плазмид в цитоплазмата на клетката гостоприемник или да бъде интегриран в генетичния материал на бактерията.

Интеграцията на вирусен генетичен материал изисква висока степен на специализация. Геномът на умерените фаги може да бъде прикрепен само към определени позиции в бактериалната ДНК. Обратно, генетичният материал на отделни щамове с умерен фаг винаги може да бъде идентифициран на едни и същи места в бактериалния геном.

Чрез успешната адаптация профагите се възползват от деленето на бактериални клетки. Когато клетката гостоприемник раздели митозата, вирусният генетичен материал се предава. По-нататъшното предаване на други бактерии може да стане чрез конюгиране. По този начин профагите могат да се разпространяват чрез различни пътища на предаване върху цели бактериални щамове. Поради влиянието на околната среда като UV светлина или определени химикали, профагът може да се върне към литичния цикъл и да се стреми към агресивно възпроизвеждане.

Освен това, профагът също използва процесите на транскрипция на клетката гостоприемник: инжектираните репресорни гени на фага се разпознават като увреждане на ДНК от някои ензими на бактерията и се разграждат. Разграждането на репресорните гени е саморазрушаващо се в клетката гостоприемник. Литичният цикъл вече не може да бъде потиснат и профагът се променя от лизогенното състояние до агресивно репликация, което завършва с последващо разтваряне на бактериалната клетъчна стена.

Възникване, разпространение и свойства

Фагите са високоспециализирани вируси, адаптирани към отделни щамове бактерии. Така че не всеки бактериофаг може да има достъп до всяка бактерия. Размножаването без специфичната гостоприемна клетка не е възможно за бактериофага. Силната специализация означава, че бактериофагите могат да бъдат намерени в терена, в който са разположени техните клетки-гостоприемници.

Същото важи в още по-голяма степен за профаните. Тъй като профагите не са конвенционални вируси и се представят само като вирусен генетичен материал в организма гостоприемник, те не могат да бъдат открити извън определените клетки поради самото определение.

Освен това трябва да се спомене, че бактериофагите сами в морската вода имат брой (10 до мощността 30) и по този начин повече фаги, отколкото живи същества, присъстват на цялата планета. За разлика от тях има много малък брой от деветнадесет официално изследвани бактериофаги, което затруднява да се направи точно изявление за появата.

Значение и функция

Фаготерапията е разработена през 20-те години и все още успешно се използва в Източна Европа за борба с различни инфекциозни заболявания. Предимствата на фаговата терапия са очевидни: бактериофагите увреждат само отделни щамове бактерии, докато антибиотиците имат като цяло вредно въздействие върху бактериите в организма.

Откриването на пеницилин през 40-те години на миналия век доведе до масовата употреба на антибиотици на Запад и в резултат на това приключи с фаговите изследвания. Последващото натрупване на множество резистентности към антибиотици предизвика засилен интерес към бактериофагите през 90-те години.

Фаготерапията се фокусира върху бактериофагите с агресивна вирулентност и изключително литичен цикъл, докато умерените бактериофаги и профаги досега играят само подчинена роля.

Болести и неразположения

Някои патогени могат да изграждат своята вирулентност само чрез симбиоза с профаги. Clostridium botulinum може да произвежда страховития ботулинов токсин само с помощта на интегрираната фагова ДНК. Streptococcus pyogenes може да предизвика само скарлатина в комбинация с профагична ДНК.

Vibrio cholerae произвежда холера само чрез специални профаги. Това също показва значението на фагите за човешката медицина. Цели бактериални щамове могат да загубят своя патогенен потенциал, ако отговорните профаги могат да бъдат специално изключени.